UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ CENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA HIDRÁULICA E AMBIENTAL PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL
DOUTORADO EM RECURSOS HÍDRICOS
REJANE FELIX PEREIRA
ESTUDO DO IMPACTO DA VARIAÇÃO DOS PARÂMETROS NO CÁLCULO FINAL DO ÍNDICE DE QUALIDADE DA ÁGUA (IQA) COMO CRITÉRIO DE
CLASSIFICAÇÃO DOS CORPOS HÍDRICOS SUPERFICIAIS
REJANE FELIX PEREIRA
ESTUDO DO IMPACTO DA VARIAÇÃO DOS PARÂMETROS NO CÁLCULO FINAL DO ÍNDICE DE QUALIDADE DA ÁGUA (IQA) COMO CRITÉRIO DE
CLASSIFICAÇÃO DOS CORPOS HÍDRICOS SUPERFICIAIS.
Tese apresentada ao Curso de Doutorado em Engenharia Civil do Departamento de Engenharia Hidráulica e Ambiental da Universidade Federal do Ceará, como parte dos requisitos para obtenção do título de Doutor em Engenharia Civil. Área de concentração: Recursos Hídricos. Orientador: Prof. Dr. Antonio Idivan Vieira
Nunes.
Dados Internacionais de Catalogação na Publicação Universidade Federal do Ceará
Biblioteca de Pós-Graduação em Engenharia - BPGE
P495e Pereira, Rejane Félix.
Estudo do impacto da variação dos parâmetros no cálculo final do índice de qualidade da água (IQA) como critério de classificação dos corpos hídricos superficiais/ Rejane Félix Pereira. – 2015.
123 f. : il. color. , enc. ; 30 cm.
Tese (doutorado) – Universidade Federal do Ceará, Centro de Tecnologia, Departamento de Engenharia Hidráulica e Ambiental, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil: Recursos Hídricos, Fortaleza, 2015.
Área de Concentração: Recursos Hídricos.
Orientação: Prof. Dr. Antonio Idivan Vieira Nunes.
1. Recursos hídricos. 2. Água - Qualidade. 3. Gestão da qualidade da água. I. Título.
AGRADECIMENTOS
À Deus, pelo dom da vida, proteção e benção.
Aos meus queridos e amados pais, pelo amor, dedicação, compreensão e pelo incentivo constante.
Aos meus irmãos pelo apoio e paciência.
Ao meu orientador, Prof. Dr. Antonio Idivan Vieira Nunes, por ter aceitado me orientar, pelo apoio, ensinamentos e incentivos.
Ao professor Marco Aurélio Holanda de Castro, pelos ensinamentos, incentivos e oportunidades.
Aos professores, Dr. Iran Eduardo Lima Neto, Dr. Suetônio Mota, Dr. Raimundo Souza pelas preciosas sugestões e contribuições no exame de qualificação.
Aos professores, Dr. Raimundo Oliveira de Souza, Dr. Fernando José Araújo da Silva, Dr. Antônio Clécio Fontelles Thomaz e Dr. Rinaldo dos Santos Araújo pela disposição em participar da banca examinadora.
À Companhia de Gerenciamento dos Recursos Hídricos de Estado do Ceará – COGERH, na pessoa de Walt Disney Paulino pela amizade e disponibilidade dos dados.
A todos os funcionários do Departamento de Engenharia Hidráulica e Ambiental, e em especial a: Shirley, Edineuza, Umbelina, Joviene e Chavier.
Aos amigos que fiz ao longo curso.
“A menos que modifiquemos a nossa
maneira de pensar, não seremos capazes de resolver os problemas causados pela forma como nos acostumamos a ver o
mundo”.
RESUMO
A água é uma substância indispensável para a vida, e por isso, desde a década de 1960 a sociedade exige soluções para mitigar sua deterioração da qualidade da água. A partir de então, iniciou-se o monitoramento da qualidade das águas. Esse monitoramento é realizado através de índices que foram e estão sendo desenvolvidos ou melhorados com a finalidade de sintetizar todas as características das substancias presentes na água de um manancial em um único número. O índice de qualidade da água mais utilizado em todo o mundo é o IQA, que foi desenvolvido em 1970 pela National Sanitation Foundation (NSF) e mais tarde foi adaptado pela Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental (CETESB) para ser utilizado no Brasil. Em 2005 o Instituto de Gestão das Águas de Minas (IGAM) desenvolveu um programa para determinação do IQA, o chamado Sistema de cálculo de Qualidade da Água (SCQA), e limitou as faixas de qualidades em intervalos diferentes das adotadas pela CETESB. Assim, com o objetivo de facilitar a tomada de decisão em relação à gestão da qualidade das águas de um manancial, foi desenvolvido nesta pesquisa um programa na plataforma Matlab que determina o valor do IQA pelas metodologias da CETESB e do IGAM/SCQA e realiza simulações para predizer os parâmetros que devem ser controlados para manter a atual qualidade da água e os que devem ser trabalhados (elevados ou reduzidos) para obtenção do valor do IQA desejado no manancial. O programa analisa ainda se os valores dos parâmetros estão dentro das faixas de classificação das águas doces segundo a Resolução CONAMA nº 357/2005. Para simulação foram montados três cenários, no primeiro o IQA pertencia a faixa de qualidade péssima, no segundo, o IQA pertencia a faixa de qualidade razoável, segundo a metodologia de calculo do IGAM/SCQA, e a faixa de qualidade boa, de acordo com metodologia de cálculo da CETESB, e no terceiro cenário, o IQA pertencia a faixa de qualidade de qualidade ótima. O programa apresentou os parâmetros que deveriam ser trabalhados para obtenção de diferentes valores de IQA.
ABSTRACT
Water is an essential ingredient for life, and so from the 1960 society demands solutions to mitigate deterioration of water quality. Since then, it began monitoring water quality. This monitoring is performed through indexes that have been and are being developed or improved in order to synthesize all the features of these substances in the water of a fountain on a single number. The quality index of more water used worldwide is the WQI, which was developed in 1970 by the National Sanitation Foundation (NSF) and was later adapted by the Environmental Sanitation Technology (CETESB) for use in Brazil. In 2005 the Institute of Minas Water Management (IGAM) developed a program to determine the WQI, called the Water Quality Calculation system (SCQA), and limited the qualities of tracks at different intervals of the adopted by CETESB. Thus, in order to facilitate decision making for the management of water quality of a spring it was developed in this study a program in Matlab platform that determines the value of the WQI methodologies CETESB and IGAM/SCQA and performs simulations to predict the parameters that must be controlled to maintain the current water quality and that should be worked (high or low) to obtain the desired value of the WQI in spring. The program also examines whether the parameter values are within the freshwater classification ranges according to CONAMA Resolution Nº 357/2005. For simulation were mounted three scenarios, the first belonged to the WQI of poor quality range in the second, the WQI belonged to reasonable quality range, according to the calculation methodology of IGAM/SCQA, and good quality range, according to CETESB calculation methodology, and the third scenario, the WQI belonged to optimum quality quality range. The program presented the parameters that should be worked to obtain different values of WQI.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Agentes de alteração da qualidade de lagos e reservatórios. ... 24
Figura 2 - Curvas de Qualidade Padrão das variáveis do ISTO ... 31
Figura 3 - Fluxograma da metodologia proposta ... 41
Figura 4 - Curvas médias de variação de qualidade dos subíndices. ... 45
Figura 5 - Interface do programa desenvolvido mostrando a variação do IQA com a variação do OD no cenário 1. ... 62
Figura 6 - Interface do programa desenvolvido mostrando a variação do IQA com a variação do CT no cenário 1... 63
Figura 7 - Variação do IQA em relação à variação do pH no cenário 1. ... 63
Figura 8 - Variação do IQA em relação à variação da DBO no cenário 1. ... 64
Figura 9 - Variação do IQA em relação à variação dos Nitratos totais no cenário 1. 64 Figura 10 - Variação do IQA em relação à variação dos Fosfatos totais no cenário 1. ... 65
Figura 11 - Variação do IQA em relação à variação da Turbidez no cenário 1. ... 65
Figura 12 - Variação do IQA em relação à variação dos Sólidos Totais no cenário 1. ... 66
Figura 21 - Interface do programa desenvolvido mostrando a variação do IQA com a variação do OD. ... 83
Figura 22 - Variação do IQA em relação à variação dos CT. ... 84
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Parâmetros de Qualidade da Água do IQA e pesos para o somatório .... 44
Tabela 2 – Parâmetros de Qualidade da Água do IQA e respectivos pesos para o produtório. ... 46
Tabela 3 – Classificação das faixas do IQA ... 47
Tabela 4 – Valor dos parâmetros e do IQA em seus respectivos cenários. ... 60
Tabela 5 – Dados de saída do cenário 1, metodologia IGAM/SCQA. ... 66
Tabela 6 – Dados de saída do cenário 1, metodologia CETESB ... 68
Tabela 7 – Variação do IQA em relação à variação do oxigênio dissolvido com a variação de outros parâmetros que determinam o IQA do cenário 1. .... 75
Tabela 8 – Variação do IQA em relação à variação dos coliformes com a variação de outros parâmetros que determinam o IQA do cenário 1. ... 76
Tabela 9 – Variação do IQA em relação à variação do pH com a variação de outros parâmetros que determinam o IQA do cenário 1. ... 77
Tabela 10 – Variação do IQA em relação à variação da DBO com a variação de outros parâmetros que determinam o IQA do cenário 1. ... 78
Tabela 11– Variação do IQA em relação à variação da NO3 com a variação de outros parâmetros que determinam o IQA do cenário 1. ... 79
Tabela 12– Variação do IQA em relação à variação do PO4 com a variação de outros parâmetros que determinam o IQA do cenário1. ... 80
Tabela 13 – Variação do IQA em relação à variação da TU com a variação de outros parâmetros que determinam o IQA do cenário 1. ... 81
Tabela 14 – Variação do IQA em relação à variação dos ST com a variação de outros parâmetros que determinam o IQA do cenário 1. ... 82
Tabela 15 – Dados de saída do cenário 2, metodologia IGAM/SCQA. ... 86
Tabela 16 – Dados de saída do cenário 2, metodologia CETESB ... 86
Tabela 17 – Variação do IQA em relação à variação do oxigênio dissolvido com a variação de outros parâmetros que determinam o IQA do cenário 2. .... 91
Tabela 18 – Variação do IQA em relação à variação dos coliformes com a variação de outros parâmetros que determinam o IQA do cenário 2. .... 92
Tabela 20 – Variação do IQA em relação à variação da DBO com a variação de outros parâmetros que determinam o IQA do cenário 2. ... 94 Tabela 21 – Variação do IQA em relação à variação da NO3 com a variação de
outros parâmetros que determinam o IQA do cenário 2. ... 95 Tabela 22 – Variação do IQA em relação à variação do PO4 com a variação de
outros parâmetros que determinam o IQA do cenário 2. ... 96 Tabela 23 – Variação do IQA em relação à variação da TU com a variação de
outros parâmetros que determinam o IQA do cenário 2. ... 97 Tabela 24 – Variação do IQA em relação à variação dos ST com a variação de
outros parâmetros que determinam o IQA do cenário 2. ... 98 Tabela 25 – Dados de saída do cenário 3, metodologia IGAM/SCQA. ... 101 Tabela 26 – Dados de saída do cenário 3, metodologia CETESB ... 102 Tabela 27 – Variação do IQA em relação à variação do oxigênio dissolvido com a
variação de outros parâmetros que determinam o IQA do cenário 3. .. 107 Tabela 28 – Variação do IQA em relação à variação dos coliformes com a
variação de outros parâmetros que determinam o IQA do cenário 3. .. 108 Tabela 29 – Variação do IQA em relação à variação do pH com a variação de
outros parâmetros que determinam o IQA do cenário 3. ... 109 Tabela 30 – Variação do IQA em relação à variação da DBO com a variação de
outros parâmetros que determinam o IQA no cenário 3. ... 110 Tabela 31– Variação do IQA em relação à variação da NO3 com a variação de
outros parâmetros que determinam o IQA no cenário 3. ... 111 Tabela 32– Variação do IQA em relação à variação do PO4 com a variação de
outros parâmetros que determinam o IQA do canário 3. ... 111 Tabela 33 – Variação do IQA em relação à variação da TU com a variação de
outros parâmetros que determinam o IQA do cenário 3. ... 113 Tabela 34 – Variação do IQA em relação à variação dos ST com a variação de
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
CETESB Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental
IAP Índice de Qualidade da Água Bruta para fins de Abastecimento Público IET Índice de Estado Trófico
IGAM Instituto Mineiro de Gestão das Águas IN Índice de Balneabilidade
IQA Índice de Qualidade das Águas IVA Proteção da Vida Aquática NSF National Sanitation Foundation
SCQA Sistema de Cálculo da Qualidade da Água CONAMA Conselho Nacional de Meio Ambiente ANA Agencia Nacional de Águas
ISTO Índice de Substâncias Tóxicas e Organolépticas COPAM Conselho Estadual de Politica Ambiental
CERH-MG Conselho Estadual de Recursos Hídricos de Minas Gerais
IPMCA Índice de Variáveis Mínimas para a Preservação da Vida Aquática MMA Ministério do Meio Ambiente
O.D. Percentual de oxigênio dissolvido saturado C.T. Concentração de coliformes termotolerantes pH Potencial hidrogenionico
D.B.O Concentração da demanda bioquímica de oxigênio NO3 Concentração dos nitratos totais
PO4 Concentração de fosfatos totais TU Valor da turbidez
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 17
1.1 Considerações iniciais ... 17
1.2 Objetivo ... 19
1.2.1 Objetivo geral ... 19
1.2.2 Objetivos específicos ... 19
1.3 Metodologia Utilizada ... 20
1.4 Estrutura do Trabalho ... 20
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 22
2.1 Gestão da Qualidade dos Recursos Hídricos ... 22
2.2 Reservatórios ... 22
2.2.1 Os principais agentes de deterioração da qualidade das águas ... 22
2.3 Parâmetros de Qualidade da Água ... 24
2.3.1 Padrões de qualidade das águas... 25
2.4 Monitoramento da Qualidade das Águas ... 27
2.5 Técnicas de Avaliação de Vulnerabilidade de Águas Superfíciais ... 28
2.5.1 Índice de qualidade da água (IQA) ... 29
2.5.2Índice de qualidade da água bruta - abastecimento público (IAP) ... 30
2.5.3 Índice de estado trófico (IET) ... 31
2.5.4 Índice de contaminação por tóxicos ... 32
2.5.5 Índice de balneabilidade (IB) ... 33
2.5.6Índice de qualidade de água para a proteção da vida aquática (IVA) ... 34
2.6 Índice de Qualidade da Água (IQA) ... 34
2.6.1 Histórico ... 36
2.7 Limitações do IQA ... 39
3 METODOLOGIA ... 41
3.1 Elaboração da Ferramenta em MATLAB ... 42
3.1.1 Determinação do índice de qualidade de água – NSF ... 43
3.1.2 Determinação do índice de qualidade de água – CETESB ... 46
3.1.3 Determinação do índice de qualidade de água – SCQA ... 54
3.2 Concepção dos Cenários ... 59
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 61
4.1 Análise do IQA - Variação Individual dos Parâmetros do Cenário 1 ... 61
4.1.1 Metodologia IGAM/SCQA ... 61
4.1.2 Metodologia CETESB ... 68
4.2 Análise do IQA – Variação dupla dos Parâmetros do Cenário 1 ... 69
4.2.1 Metodologia IGAM/SCQA e metodologia CETESB ... 69
4.3 Análise do IQA - Variação Individual dos Parâmetros do Cenário 2 ... 83
4.3.1 Metodologia IGAM/SCQA ... 83
4.3.2 Metodologia CETESB ... 86
4.4 Análise do IQA – Variação dupla dos Parâmetros do Cenário 2 ... 88
4.4.1 Metodologia IGAM/SCQA e metodologia CETESB ... 88
4.5 Análise do IQA - Variação Individual dos Parâmetros do Cenário 3 ... 99
4.5.1 Metodologia IGAM/SCQA ... 99
4.5.2 Metodologia CETESB ... 102
4.6 Análise do IQA – Variação dupla dos Parâmetros do Cenário 3 ... 104
4.6.1 Metodologia IGAM/SCQA e metodologia CETESB ... 104
5 CONCLUSÃO E RECOMENDAÇÕES ... 115
1 INTRODUÇÃO
1.1 Considerações iniciais
A Revolução Industrial do século XVIII ocasionou o rápido crescimento demográfico urbano, que culminou com necessidade de instalação de sistemas de infraestrutura que garantisse água em quantidade e qualidade adequada para consumo humano e industrial.
Somente mais tarde, no final do século XIX, é que se começou a dispensar maior atenção à proteção da qualidade da água de abastecimento, desde sua captação até a entrega ao consumidor. Essa preocupação se baseou nas descobertas que foram realizadas a partir de então, quando diversos cientistas mostraram que havia uma relação entre a água e a transmissão de várias doenças causadas por agentes físicos, químicos e biológicos.
A água é uma das substâncias mais importantes, portanto, sua qualidade e quantidade necessárias são fatores determinantes para sobrevivência humana. Por isso, a água deve atender às condições mínimas para que possa ser ingerida ou utilizada para fins higiênicos, o que se consegue por meio de tratamento, quando a água do manancial oferece risco à saúde pública.
Para caracterização da qualidade da água são analisados fenômenos físico-químicos e biológicos que são associados a diversos parâmetros, dificultando a avaliação de suas interrelações.
Definiu-se, deste modo, sintetizar esses fenômenos, por meio de um único número e relacioná-lo a um estado de qualidade da água, tornando-os mais compreensível à sociedade em geral. Em contrapartida, durante o processo de síntese podem ocorrer perdas de informações sobre o comportamento de cada parâmetro analisado.
Segundo ANA (2014a) os principais índices de qualidade da água utilizados no Brasil são: Índice de Qualidade das Águas (IQA), Índice de Qualidade da Água Bruta para fins de Abastecimento Público (IAP), Índice de Estado Trófico (IET), Índice de Contaminação por Tóxicos, Índice de Balneabilidade (IB) e o Índice de Qualidade de Água para a Proteção da Vida Aquática (IVA).
O Índice de Qualidade das Águas (IQA) foi desenvolvido pela National Sanitation Foundation (NSF) e adaptado pela Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental (CETESB) do Estado de São Paulo para ser utilizado no Brasil com o objetivo de avaliar a qualidade da água bruta, tendo em vista seu uso para o abastecimento humano após tratamento adequado.
O IQA classifica a qualidade de um determinado manancial em cinco faixas - péssima, ruim, razoável, boa e ótima - que permitem comparações entre
diferentes cursos d‟água, passando informações referentes à qualidade da água,
inclusive em relação à tendência da evolução da qualidade com o passar do tempo. Tais informações são importantes, pois oferecem à sociedade conhecimento adequado da qualidade das águas superficiais, de forma a subsidiar os tomadores de decisão ou gestores de recursos hídricos e de meio ambiente na definição de políticas públicas para a recuperação da qualidade das águas, contribuindo com a gestão sustentável dos recursos hídricos.
O IQA é particularmente sensível à contaminação por esgotos domésticos, o que justifica sua utilização, visto que, esta ainda é a principal pressão sobre a qualidade das águas brasileiras (CETESB, 2014a).
1.2 Objetivo
1.2.1 Objetivo geral
O Índice de Qualidade da Água ainda é o índice mais utilizado no mundo e é um dos instrumentos de gestão das águas aplicado no Brasil.
Com o objetivo de facilitar e sistematizar a avaliação do IQA, este trabalho apresenta o desenvolvimento de uma ferramenta, através da utilização do software Matlab, para verificar a influência de cada parâmetro, individual e associado dois a dois, na mudança de faixa de classificação do IQA determinado pelas equações do SCQA (Sistema de Cálculo da Qualidade da Água) desenvolvidas pelo IGAM (Instituto Mineiro de Gestão das Águas) e usando as equações desenvolvidas pela CETESB (Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental).
1.2.2 Objetivos específicos
Definição do(s) parâmetro(s) a ser(em) monitorados com maior frequência;
Direcionamento de políticas públicas para manter ou aumentar o IQA;
Verificação se os parâmetros estão dentro dos limites preconizados na Resolução CONAMA nº 357/2005;
1.3 Metodologia Utilizada
A metodologia utilizada nesta pesquisa é de natureza descritiva e experimental, na qual, inicialmente foram coletadas informações sobre equações utilizadas por cada instituição aqui estudada na determinação do IQA para posterior exploração dos parâmetros utilizados por cada equação.
Em seguida, foi realizada uma busca na literatura, cujo objetivo foi compreender melhor o tema proposto e reunir subsídios para reflexão.
Posteriormente, as equações para determinação do IQA foram inseridas no Matlab e foi desenvolvida uma interface gráfica de fácil manuseio para avaliação dos resultados.
Com as informações obtidas foram montados cenários para posterior análise da variação do IQA em função do valor de cada parâmetro de forma individual e associados dois a dois.
1.4 Estrutura do Trabalho
Este estudo está organizado da seguinte maneira:
O capítulo 1 trata de uma breve introdução, apresentando a justificativa e os objetivos do tema abordado.
O capítulo 2 aborda revisão da literatura sobre gestão da qualidade dos recursos hídricos, reservatórios, parâmetros de qualidade das águas, monitoramento da qualidade da água, técnicas de avaliação de vulnerabilidade das águas superficiais, índice de qualidade da água e suas limitações.
O capítulo 4 apresenta os resultados e as análises dos cenários escolhidos no capítulo 3.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Gestão da Qualidade dos Recursos Hídricos
Na década de 1980, a gestão da qualidade das águas superficiais tinha como foco combater a fonte pontual de poluentes. Atualmente, conforme afirma Chapra (2008), essa gestão vai muito além do problema da fonte pontual, ou seja, ela abrange todas as fontes de poluição.
Martins (2010) salienta que na gestão da qualidade das águas superficiais são utilizadas três ferramentas principais, a saber: o monitoramento, a análise teórica e a modelação matemática. Embora cada ferramenta tenha suas vantagens, todas também têm pontos desfavoráveis, fazendo com que apenas o uso conjunto seja realmente produtivo nos problemas de gestão ambiental.
2.2 Reservatórios
Reservatórios são sistemas artificiais construídos pelo homem para atender a finalidades especificas, tais como, geração de energia elétrica, irrigação,
abastecimento d‟água, recreação, pesca, entre outras.
Straskraba e Tundisi (2013) afirmam que para uma análise dos aspectos relacionados à qualidade da água, deve-se considerar o reservatório como um ecossistema composto por subsistemas (químicos, físicos e biológicos) que interagem entre si, pois a visão holística é fundamental para o gerenciamento dos reservatórios.
2.2.1 Os principais agentes de deterioração da qualidade das águas
Carreamento de nutrientes das habitações pelos esgotos e do solo agrícola pelas enxurradas, respectivamente (em especial o fósforo, nitrogênio e carbono);
Transporte de sedimentos da bacia de drenagem (areia, silte e argila) e decomposição da matéria orgânica de plantas e animais (algas, plâncton, etc.) existentes no próprio lago/reservatório;
Introdução de produtos tóxicos (pesticidas e metais pesados), organolépticos (clorofenóis) e seres patogênicos, pelo ar, pelos esgotos e pela chuva (ácido sulfúrico, mercúrio, etc.).
Ainda, segundo Martins (2010), os nutrientes são elementos essenciais ao desenvolvimento da biota aquática e que podem, quando em excesso, provocar a eutrofização dos lagos e reservatórios, ou seja, o seu enriquecimento exagerado de nutrientes gera danos consideráveis para o meio ambiente. Os principais nutrientes são o Fósforo, Nitrogênio, Carbono e Sílica.
Martins (2010), ainda define que os sedimentos são materiais sólidos e semifluidos depositados no leito dos lagos e reservatórios por causa do carreamento pelas enxurradas (de areia, silte e argila) da bacia de contribuição. São formados também pela deposição de matéria orgânica em decomposição (originada na bacia ou na própria água) ou por outro meio. E que as substâncias tóxicas permanecem retidas por mais tempo nas águas e sedimentos dos lagos e reservatórios do que na água corrente dos córregos e rios, aumentando naqueles o risco à exposição em termos de concentração e duração, quer para a biota aquática como para o homem, que depende da água para beber ou de alimentos, como os peixes, retirados dos mesmos.
Figura 1 - Agentes de alteração da qualidade de lagos e reservatórios.
Fonte: Martins (2010).
2.3 Parâmetros de Qualidade da Água
A avaliação da qualidade da água é um processo global de verificação da natureza física, química e biológica da água, em relação à sua qualidade natural, efeitos das ações antrópicas e dos usos esperados (MARQUES, 2002).
Para Von Sperling (2005), a água contém diversos componentes, os quais provêm do próprio ambiente natural ou foram introduzidos pela ação do homem. Para caracterizar uma água, são determinados diversos parâmetros que representam as suas características físicas, químicas e biológicas. Esses parâmetros são indicadores da qualidade da água e constituem impurezas quando alcançam valores superiores aos estabelecidos para determinado uso.
Parâmetros Físicos
Os principais parâmetros físicos presentes na água são: temperatura, sabor e odor, cor, turbidez, sólidos/resíduo total.
Parâmetros Químicos
São os parâmetros relacionados às reações químicas presentes na água, tais como: pH (potencial hidrogeniônico), alcalinidade, dureza, cloretos, ferro e manganês, nitrogênio total, fósforo total, fluoretos, oxigênio dissolvido (OD), matéria orgânica, demanda bioquímica de oxigênio (DBO), demanda química de oxigênio (DQO), componentes inorgânicos, componentes orgânicos e condutividade elétrica.
Parâmetros Biológicos
São parâmetros analisados sob o ponto de vista de organismos indicadores, tais como coliformes termotolerantes e algas.
2.3.1 Padrões de qualidade das águas
Segundo Ott (1978), pode-se concluir que a diversidade de parâmetros utilizados nos diversos índices aparentemente é resultado de diferentes suposições a respeito da importância atribuída a cada um deles.
Mota (2006) relata que os padrões de qualidade da água variam para cada tipo de uso. Os teores máximos de impurezas permitidos na água são estabelecidos em função dos seus usos. Esses teores constituem os padrões de qualidade, os quais são fixados por entidades públicas, com o objetivo de garantir que a água a ser utilizada para um determinado fim não contenha impurezas que venham a prejudicá-lo.
Porto (1991) enfatiza que os padrões de qualidade das águas são utilizados para que possam regulamentar e controlar os níveis de qualidade a serem mantidos em um corpo de água, dependendo do uso a que ele está destinado.
A Portaria nº 2914 de 12 de dezembro de 2011 do Ministério da Saúde estabelece os procedimentos de controle e de vigilância da qualidade da água para consumo humano e seu padrão de potabilidade. Nela, são apresentados os valores máximos permitidos de alguns parâmetros para água potável com o padrão de aceitação de consumo humano após o processo de tratamento da água.
No Brasil, os padrões de qualidade das águas são estabelecidos pela Resolução do CONAMA nº 357 de 17 de março de 2005 (alterada pelas resoluções CONAMA nº 410/2009 e nº 430/2011), que dispõe sobre a classificação dos corpos de água e as diretrizes ambientais para o seu enquadramento, bem como estabelece as condições e padrões de lançamento de efluentes, e dá outras providências.
A referida resolução divide as águas em três grupos, de acordo com o percentual de salinidade apresentado. Dentro de cada grupo as águas são classificadas em classes conforme a qualidade requerida para seus usos preponderantes. A Resolução do CONAMA nº 357 estabelece, ainda, os limites máximos dos parâmetros utilizados na determinação do Índice de Qualidade das Águas (IQA) para as classes I a IV do grupo de águas doces.
2.4 Monitoramento da Qualidade das Águas
Gastaldini e Mendonça (2001) definem que a avaliação da qualidade de água é um estudo das características físicas, químicas e biológicas da água, relativas a determinados usos, particularmente aqueles que afetam a saúde pública e o ecossistema em si, enquanto que monitoramento da qualidade da água é a coleta de informações em locais fixos e em intervalos regulares para aquisição de dados que permitam o conhecimento das condições atuais e da evolução da qualidade. Diferenciam-se assim, os principais objetivos da avaliação e do monitoramento da qualidade de água, como sendo avaliação da qualidade da água a verificação do fato da qualidade ser adequada para determinados usos, enquanto o monitoramento é a verificação de tendências na qualidade do meio aquático e a observação da forma como este é afetado por contaminantes, atividades antrópicas e/ou processos de tratamento de efluentes.
Koide e Souza (2001) definem qualidade da água como o conjunto de características químicas, físicas e biológicas, relacionadas com o seu uso para um fim específico.
Benvenuti et al. (2013) afirmam que o monitoramento de corpos hídricos proporciona informações importantes para o gerenciamento da bacia hidrográfica, e com isso, permite o diagnóstico e previsões de cenários com o objetivo de promover o desenvolvimento sustentável da região. O monitoramento efetivo envolve análises químicas, físicas e bacteriológicas, que permitem diagnosticar a qualidade da água em cada ponto avaliado. O uso de indicadores de qualidade de água consiste no emprego de variáveis que se correlacionam com as alterações ocorridas na microbacia, sejam estas de origens antrópica ou natural. Cada sistema lótico possui características próprias, o que torna difícil estabelecer uma única variável como um indicador padrão para qualquer sistema hídrico.
Uma avaliação criteriosa da qualidade da água requer, portanto, uma estrutura metodológica que seja capaz de integrar variáveis representativas dos processos alteradores das suas condições estruturais, bem como das respostas à ação dos estímulos externos, que podem variar (em escala) do nível individual ao ecossistêmico (BOLLMANN; EDWIGES, 2008).
Para uma avaliação adequada da qualidade da água, podem ser utilizadas diversas configurações, em termos de localização dos pontos de monitoramento, de periodicidade e de tipo de parâmetros monitorados, sempre em função dos objetivos visados (ANA, 2014a).
2.5 Técnicas de Avaliação de Vulnerabilidade de Águas Superfíciais
Os números índice (ou apenas índice) são indicadores que comparam as variações de um fenômeno complexo no tempo ou em outras situações diversas, ou seja, é um número que permite sintetizar e apresentar de forma eficaz a natureza das alterações em uma ou em varias variáveis que compõem um fenômeno.
Conforme Abbasi et al. (2012), os índices são os únicos números ordinais, formados da combinação de variáveis que compõem o fenômeno a ser analisado. E são utilizados para facilitar a compreensão e interpretação das variáveis que contribuíram para sua formação. Segundo Fisher e Shell (1972), a utilização de um índice para representar o estado de um fenômeno se originou na economia e no comércio.
Abbasi et al. (2012) afirmam ainda que, os índices também têm sido amplamente utilizados na ecologia para representar riqueza de espécies e uniformidade, e em muitos outros campos, tais como medicina, sociologia, segurança de processos, engenharias e etc.
é fácil de entender e de interpretar, podendo ser usado como ferramenta de comunicação e para caracterizar o estado de um sistema específico.
De acordo com Sadiq et al. (2010), Índices ambientais são índices que fornecem uma imagem única composta de uma ou várias condições ambientais de cada sistema especifico. Esses índices são utilizados como ferramentas de comunicação pelas agências reguladoras para descrever a "qualidade" ou "saúde" de um sistema ambiental específico (por exemplo, ar, água, solo e sedimentos) e avaliar o impacto das políticas de regulação em várias práticas de gestão ambiental.
Para Gastaldini e Teixeira (2003), os índices de qualidade da água devem ser utilizados para a tomada de decisão na fase de planejamento e não devem ser aplicados quando se necessita de conhecimento mais detalhado do corpo d‟água.
A Agência Nacional de Águas (2014b) indica que o uso de índices de qualidade da água surge da necessidade de sintetizar a informação sobre vários parâmetros físico-químicos, visando informar a população e orientar as ações de planejamento e gestão da qualidade da água. Os índices facilitam a comunicação com o público leigo, já que permitem sintetizar várias informações em um número único. Por outro lado, neste processo de síntese ocorre a perda de informação sobre o comportamento dos parâmetros analisados. Portanto, qualquer análise mais detalhada deve considerar os parâmetros individuais que determinam a qualidade das águas.
O Brasil intensificou a adoção do IQA a partir de um relatório anual de 1972 elaborado pelo Conselho Nacional de Meio Ambiente, no qual se verificou a necessidade da utilização de índices para o meio ambiente (MMA, 2003).
2.5.1 Índice de qualidade da água (IQA)
importantes para o abastecimento público, tais como substâncias tóxicas (ex.: metais pesados, pesticidas, compostos orgânicos), protozoários patogênicos e substâncias que interferem nas propriedades organolépticas da água.
2.5.2 Índice de qualidade da água bruta - abastecimento público (IAP)
O Índice de Qualidade da Água Bruta para fins de Abastecimento Público (IAP) foi criado por um Grupo Técnico composto por integrantes da CETESB, SABESP, institutos de pesquisa e universidades. O índice é composto por três grupos de parâmetros, a saber (CETESB, 2014c):
Índice de Qualidade das Águas (IQA): temperatura d‟água, pH, oxigênio
dissolvido, demanda bioquímica de oxigênio, coliformes termotolerantes, nitrogênio total, fósforo total, resíduo total e turbidez;
Parâmetros que avaliam a presença de substâncias tóxicas: teste de mutagenicidade, potencial de formação de trihalometanos, cádmio, chumbo, cromo total, mercúrio e níquel;
Parâmetros que afetam a qualidade organoléptica da água: fenóis, ferro, manganês, alumínio, cobre e zinco.
Os parâmetros que avaliam a presença de substâncias tóxicas e que afetam a qualidade organoléptica são compostos de maneira a fornecer o Índice de Substâncias Tóxicas e Organolépticas (ISTO).
Figura 2 - Curvas de Qualidade Padrão das variáveis do ISTO
Fonte: CETESB (2014c).
As faixas de variação de qualidade (qi), que são atribuídas aos valores medidos para o potencial de formação de trihalometanos, para os metais que compõem o ISTO, refletem as seguintes condições de qualidade da água bruta destinada ao abastecimento público:
Valor medido < LI: águas adequadas para o consumo humano. Atendem aos padrões de potabilidade da Portaria 2914/2011 do Ministério da Saúde em relação às variáveis avaliadas.
LI < Valor medido < LS: águas adequadas para tratamento convencional. Atendem aos padrões de qualidade da classe 3 da Resolução CONAMA 357/05 em relação às variáveis determinadas. Valor medido > LS: águas que não devem ser submetidas apenas a tratamento
convencional. Não atendem aos padrões de qualidade da classe 3 da Resolução CONAMA 357/05 em relação às variáveis avaliadas.
2.5.3 Índice de estado trófico (IET)
Von Sperling (2009) afirma que de todos os fenômenos poluidores da água, a eutrofização é aquele que apresenta as características mais complexas, em função de sua base essencialmente biológica, assegurando que o conceito de eutrofização relaciona-se com uma superfertilização do ambiente aquático, em decorrência da presença de nutrientes, implicando em um crescimento excessivo de plantas aquáticas, caracterizando-se, assim, o estabelecimento da eutrofização.
A eutrofização é o processo progressivo de enriquecimento de nutrientes dos sistemas de água. O aumento em nutrientes conduz a um aumento da produtividade do sistema de água, o que pode resultar em um aumento excessivo na biomassa de algas ou de outros produtores primários, tais como macrófitas ou erva de pato.
O Índice do Estado Trófico tem por finalidade classificar corpos d‟água em
diferentes graus de trofia, ou melhor, avalia a qualidade da água quanto ao enriquecimento por nutrientes e seu efeito relacionado ao crescimento excessivo das algas ou ao aumento da infestação de macrófitas aquáticas.
Como principais efeitos da eutrofização citam-se: maus odores e mortandade de peixes, mudanças na biodiversidade aquática, redução na navegação e capacidade de transporte, modificações na qualidade e quantidade de peixes de valor comercial, contaminação da água destinada ao abastecimento público. A produção de energia hidroelétrica também pode ser afetada pela presença excessiva de macrófitas aquáticas. Em alguns casos, as toxinas podem estar presentes na água após o tratamento da água, o que pode agravar ainda mais seus efeitos crônicos.
Nesse índice, os resultados do índice calculado a partir dos valores de fósforo, devem ser entendidos como uma medida do potencial de eutrofização, já que este nutriente atua como o agente causador do processo.
2.5.4 Índice de contaminação por tóxicos
O Instituto Mineiro de Gestão das Águas (IGAM) adota uma classificação
parâmetros: Amônia, Arsênio total, Bário total, Cádmio total, Chumbo total, Cianeto livre, Cobre total, Cobre dissolvido, Cromo hexavalente, Cromo total, Fenóis totais, Mercúrio total, Nitritos, Nitratos e Zinco total (MMA, 2003).
Essas concentrações são comparadas aos limites estabelecidos para as classes de enquadramento dos corpos de água determinadas pela Resolução CONAMA nº 357/05 ou pela Deliberação Normativa Conjunta COPAM/CERH-MG N.º 1, de 05 de Maio de 2008.
A contaminação por tóxicos é classificada em Baixa, Média ou Alta. Na classe baixa as substâncias tóxicas apresentam concentrações iguais ou inferiores a 20% dos limites de classe de enquadramento do trecho do corpo de água onde se localiza o ponto de amostragem. Na classe média ocorrem concentrações entre 20% e 100% dos limites mencionados, e na classe alta as concentrações são superiores a 100% dos limites.
A pior situação do conjunto de resultados define a faixa de contaminação. Assim, se um dos parâmetros apresentou valor acima de 100% (o dobro da concentração limite), em pelo menos uma das campanhas do ano, a contaminação no ponto de amostragem será classificada como alta.
2.5.5 Índice de balneabilidade (IB)
A análise de balneabilidade avalia a qualidade dos corpos d‟água para a
recreação de contato primário, sendo utilizada tanto em praias litorâneas quanto em águas interiores. (ANA, 2014c)
A legislação que estabelece os critérios e limites para análise de balneabilidade é a Resolução CONAMA nº 274, de 29 de novembro de 2000.
realizado monitoramento mensal, o índice é calculado a partir das densidades de E. coli ou de coliforme termotolerante.
2.5.6 Índice de qualidade de água para a proteção da vida aquática (IVA)
Zagatto et al. (1999) apontam que o IVA tem o objetivo de avaliar a qualidade das águas visando à proteção da fauna e da flora em geral, diferenciado, portanto, de um índice para avaliação da água para o consumo humano e recreação de contato primário.
O IVA considera a presença e concentração de contaminantes químicos tóxicos, seu efeito sobre os organismos aquáticos (toxicidade) e duas das variáveis consideradas essenciais para a biota (pH e oxigênio dissolvido). Consideram-se ainda, as variáveis agrupadas no IPMCA – Índice de Variáveis Mínimas para a Preservação da Vida Aquática, bem como o IET – Índice do Estado Trófico de Carlson modificado por Toledo (1990) e Lamparelli (2004). Desta forma, o IVA fornece informações não só sobre a qualidade da água em termos ecotoxicológicos, como também sobre o seu grau de trofia.
O índice de qualidade das águas mais utilizado no Brasil, conforme Gastaldini e Teixeira (2003) é o Índice de Qualidade de Água (IQA), objeto deste estudo, que corresponde à adaptação do índice de qualidade de água desenvolvido pela National Sanitation Foundation, que é uma organização não governamental americana, fundada em 1944.
2.6 Índice de Qualidade da Água (IQA)
Nikbakht (2004) apresenta que o índice de qualidade da água é uma ferramenta utilizada para determinar as condições de qualidade da água e requer conhecimentos sobre princípios e conceitos básicos de água e questões conexas. É o método mais conhecido de expressar a qualidade da água que apresenta uma unidade estável e reprodutível de medida que responde a alterações nas características principais da água (BROWN et al., 1972).
Para Bharti e Katyal (2011) índices de qualidade de água visam dar um único valor para a qualidade da água de uma fonte de redução de grande quantidade de parâmetros em uma expressão mais simples e permitindo uma fácil interpretação dos dados de monitoramento.
Já Bordalo et al. (2006) definem IQA como um mecanismo para a apresentação de uma expressão numérica, cumulativamente derivada de diversas variáveis, que define um certo nível de qualidade da água. Em outras palavras, o IQA resume grandes quantidades de dados de qualidade da água em termos simples (excelente, bom, razoável, ruim e péssimo) para a comunicação à administração e ao público de uma forma consistente (BHARTI; KATYAL, 2011). Couillard e Lefebvre (1985) e House e Ellis (1980) também destacam a importância dos índices como ferramenta de informação ao público, promovendo um melhor entendimento entre a população leiga e as pessoas que gerenciam o ambiente.
Conforme Gastaldini e Teixeira (2003), o IQA é uma síntese da avaliação individual do estado ou condição de nove variáveis, fornecendo uma indicação relativa da qualidade da água em diferentes pontos no espaço e/ou no tempo, e que pode ser vantajosamente utilizada como instrumento de gestão ambiental (avaliação da efetividade de programas de controle da poluição, estabelecimento de prioridades para áreas de controle). No entanto, é importante ressaltar que o IQA não leva em conta formas tóxicas que podem comprometer seriamente a qualidade das águas para os diversos usos.
Comitesinos (1990) afirma que um IQA indica sinteticamente a qualidade da água, sendo expresso por um valor numérico. Uma das vantagens do seu uso para determinação da qualidade da água é a coerente uniformidade de critérios para apresentação à opinião pública, possibilitando uma forma de comparação relativa entre os sistemas hídricos.
Lohani e Musthapha (1982) versam que a ideia básica dos índices de qualidade é agrupar uma série de variáveis numa escala comum, combinando-as em um único número.
Segundo Ott (1978), o índice de qualidade da água (IQA) pode ser utilizado como uma ferramenta para traduzir múltiplas variáveis em um único critério adequado, e estabelecer níveis de qualidade da água com base nos padrões de qualidade da água para um determinado sistema aquático. E isso simplifica o relatório de qualidade da água e melhora a compreensão das questões de qualidade da água por meio da integração de dados complexos, gerando uma classificação que descreve o estado da qualidade da água e avalia suas tendências de qualidade.
(BOYACIOĞLU, 2013).
Ott (1978) classifica os índices de qualidade de água em três tipos básicos: índices elaborados a partir da opinião de especialistas, índices baseados em métodos estatísticos e índices biológicos. E que podem ser utilizados para diversas finalidades.
2.6.1 Histórico
Aqueles preocupados com a quantidade de poluição presente;
Aqueles preocupados com as comunidades que vivem de organismos macroscópicos ou microscópicos.
Ao invés de atribuir um valor numérico para representar a qualidade da água, esses sistemas de classificação categorizavam as massas de água em uma das várias classes ou níveis de poluição. Por outro lado, os índices que utilizam uma escala numérica para representar gradações de níveis de qualidade da água são um fenômeno recente, começando com o índice de Horton, apresentado em 1965 (ABBASI; ABBASI, 2012).
Horton, em 1965, desenvolveu um simples índice de qualidade de água em conjunto com a comissão de saneamento do vale do Rio Ohia. Referindo-se aos índices como ferramenta para a avaliação dos programas de redução da poluição e para informação pública (DERÍSIO, 1992). Um grande número de índices de qualidade da água tem aparecido na literatura desde aquela época. Entre os mais conhecidos é o índice de qualidade da água desenvolvido pela National Sanitation Foundation (NSF) proposto em 1970.
O índice de Horton (1965) é calculado como a soma ponderada dos valores dos subíndices. Os subíndices são calculados usando uma tabela de valores de subíndices específicos correspondentes aos intervalos de cada variável. O índice de Horton varia de 0 a 100, com '0' representando água de má qualidade e „100‟
representando a água com ótima qualidade. Ele tem uma "escala decrescente" porque os números de índice diminuem à medida que a poluição aumenta.
como técnica Delphi se destina a dar uma maior convergência de opinião sobre a importância de cada variável para a qualidade da água. Os 77 entrevistados que completaram todos os questionários elegeram nove variáveis: oxigênio dissolvido, demanda bioquímica de oxigênio, pH, coliformes termotolerantes, nitrato, fosfato total, temperatura, turbidez e sólidos totais. Segundo Ott (1978), a primeira versão do IQA-NSF se refere à soma ponderada dos nove subíndices, cada um dos quais é lido a partir de um gráfico. Em outra versão da NSF, a forma do produto, os pesos são tratados como expoentes dos subíndices e os resultados são multiplicados entre si.
Prati et al. (1971) propuseram um índice com base nos sistemas de classificação da qualidade da água. Utilizaram o índice nos sistemas da Inglaterra, Alemanha, União Soviética, Tchecoslováquia, Nova Zelândia, Polônia e Estados dos Estados Unidos. O índice inclui 13 variáveis e é calculado como média aritmética de 13 subíndices. Ao contrário do NSF, que utiliza equações matemáticas para cada subíndice e ao contrário, também, do índice de Horton e da NSF, possui uma escala crescente que varia de '0', que corresponde à água de boa qualidade, '15' ou mais, correspondendo à água de má qualidade.
McDuffie e Haney (1973) sugeriram um índice de qualidade de água com oito variáveis, o índice de poluição do rio (RPI), que tem uma escala crescente e é baseada na razão entre o valor observado de cada variável para o seu valor "natural". RPI varia de '100', considerando o nível natural da água, a 1000, nível altamente poluído. O RPI foi aplicado com base em testes de estações em córregos no Estado de Nova Iorque.
Dinius (1972) propôs um índice de qualidade de água como parte de um grande sistema de contabilidade social rudimentar destinado a avaliar as despesas de controle de poluição da água. Esse índice inclui 11 variáveis, e utiliza equações matemáticas explícitas para determinação das funções dos subíndices. Tem uma escala que diminui com o aumento da poluição, variando de 0 a 100. É calculado através da soma ponderada de seus subíndices.
sido fortemente defendido pelos órgãos responsáveis pelo abastecimento de água e controle da poluição da água.
No decorrer dos anos, vêm sendo desenvolvidos, analisados e/ou utilizados vários índices de qualidade da água, cada um com sua própria finalidade, alguns deles estão descritos em: Shoji et al.(1966); Brown et al. (1970); Prati et al., (1971); Chutter, (1972); Heister Jr. (1972); Padgett e Stanford, (1973); Landwehr e Deininger (1976); Bolton et al. (1978); House e Ellis (1980); Lohani e Musthapha, (1982); Couillard e Lefebvre (1985); Smith (1989); Smith (1990); Haase e Schafer, (1992); Andreazza (1997); Comitesinos (1990); Santos (1993); Gastaldini et al. (1994); Palupi et al. (1995); Bharti e Katyal (2001); Cude (2002); Srebotnjak et al., 2012; Abhishek e Khambete, 2013; Boyacıoğlu et al., 2013. Para Srebotnjak et al. (2012) as diferenças básicas entre esses índices são a maneira com que seus subíndices foram desenvolvidos.
Apesar da atenção que IQA‟s recebem na literatura científica e dos profissionais da área, não há um método único amplamente aceito e, além disso, todos os índices utilizados atualmente são restritos em sua aplicabilidade e abrangência, pois cada autor adota diferentes indicadores, pesos e subíndices. (KIM e SONG, 2009).
2.7 Limitações do IQA
Como todo índice, o IQA, devido à agregação de dados, pode perder ou
“esconder” informações importantes. A água pode apresentar um índice de
qualidade bom, porém possuir restrições ao seu uso, por isso ele não deve substituir uma avaliação detalhada da qualidade das águas. Além disso, o índice não contempla outras variáveis, tais como: metais pesados, compostos orgânicos com potencial mutagênico, substâncias que afetam as propriedades organolépticas da água, número de células de cianobactérias, e o potencial de formação de trihalometanos das águas de um manancial (CETESB, 2014b).
abastecimento público, considerando aspectos relativos ao tratamento dessas águas (CETESB, 2014b).
O IQA também se torna limitado pela subjetividade relacionada com a seleção de variáveis e das suas ponderações.
Apesar destas limitações, o fato de que uma grande quantidade de esforço tem sido dispendido no desenvolvimento e na melhoria dos índices de qualidade da água é o próprio indicativo de seu valor intrínseco (RICHARDSON, 1997).
3 METODOLOGIA
A metodologia utilizada consistiu em desenvolver uma ferramenta com a utilização do software MATLAB que mostre por meio de gráficos e tabelas a variação do IQA em função da variação de seus parâmetros. Para o cálculo do IQA, foram inseridas na ferramenta as equações desenvolvidas pela CETESB e as equações desenvolvidas pelo IMG para o SCQA.
Após o desenvolvimento da ferramenta, foram escolhidos três cenários para verificação do parâmetro (ou parâmetros) que mais influencia a variação do IQA, contribuindo para mudança de faixa de qualidade da água do manancial.
A figura 3 mostra o fluxograma da metodologia utilizada nesta pesquisa Figura 3 - Fluxograma da metodologia proposta
Fonte: Autora (2015).
Elaboração da ferramenta com utilização do MATLAB
Início
Concepção dos Cenários
Análise dos Cenários
Verificação dos parâmetros
3.1 Elaboração da Ferramenta em MATLAB
Foi desenvolvida uma ferramenta com a utilização do software MATLAB para facilitar o cálculo do Índice de Qualidade de Água (IQA) e o desenvolvimento dos gráficos para visualização dos diferentes valores do IQA em função da variação de cada um dos seus parâmetros.
A ferramenta foi desenvolvida através da implementação das equações para o cálculo do IQA, em que o usuário utiliza como dados de entrada os valores do percentual de oxigênio dissolvido, coliformes termotolerantes, nitratos, fosfatos, demanda bioquímica de oxigênio e sólidos totais e os valores do pH, e da turbidez. O usuário tem a opção escolher a metodologia de cálculo do IQA a ser utilizada –
CETESB ou SCQA, podendo ainda verificar se os valores dos parâmetros estão de acordo a Resolução CONAMA nº 357/2005 e suas alterações.
Após a entrada dos dados e a determinação da metodologia de cálculo, o usuário escolhe o parâmetro que deseja variar para verificar o comportamento do valor do IQA. Neste caso, a variação do IQA ocorre em função da variação de um único parâmetro, os outros parâmetros inseridos permanecem constantes. Como dados de saída, a ferramenta apresenta um gráfico da variação IQA em função do parâmetro escolhido, mostra também o valor do parâmetro estudado para que se tenha um valor máximo do IQA. Esses valores são apresentados também em percentuais.
A ferramenta permite, ainda, a verificação da variação do IQA quando se altera dois parâmetros, deixando os outros constantes. Para este caso, o programa apresenta como dados de saída o valor máximo do IQA obtido com a variação dos dois parâmetros escolhidos, e as tabela com os valores do IQA e dos parâmetros escolhidos.
Todas as equações dos parâmetros utilizadas na determinação IQA, tanto pela CETESB como pelo IGAM são derivadas das curvas de qualidade de cada parâmetro, desenvolvidas pela National Sanitation Foundation (NSF), conforme apresentada na Figura 4.
3.1.1 Determinação do índice de qualidade de água – NSF
O índice de qualidade desenvolvido em 1970 por Brown, McClelland, Deininger e Tozer com o apoio da NSF, conhecido como IQA-NSF, possui estrutura similar ao índice Horton.
A estrutura original do IQA-NSF, proposta por BROWN et al. (1970) resulta em uma combinação linear com pesos dos subíndices. A forma aditiva para cálculo do IQA-NSF está apresentada na equação 1.
∑
(1)
Onde:
– índice de qualidade da água (é um número entre 0 e 100);
– peso relativo do i-ésimo parâmetro, um número entre 0 e 1, atribuído em função da sua importância para a conformação global de qualidade, conforme apresentado na tabela 1;
– qualidade do i-ésimo parâmetro, um número entre 0 e 100, obtido da respectiva
“curva média de variação de qualidade”, em função de sua concentração
medida, conforme Figura 4.
– número de parâmetros que entram no cálculo do IQA (n=9)
Os parâmetros utilizados para determinação do IQA-NSF (somatório) e seus respectivos pesos estão descritos na Tabela 1.
curva média de cada parâmetro utilizada pela NSF e, também, pela CETESB está indicada na Figura 4.
Tabela 1 – Parâmetros de Qualidade da Água do IQA e pesos para o somatório
Parâmetros Pesos (W)
Oxigênio dissolvido 0,17
Coliformes termotolerantes 0,16
Potencial hidrogeniônico - pH 0,11
Demanda Bioquímica de Oxigênio - DBO5,20 0,11
Temperatura da água 0,10
Nitratos 0,10
Fosfatos 0,10
Turbidez 0,08
Resíduo total 0,07
Fonte: Ott (1978).
Por apresentar resultados mascarados que ocorriam quando um subindice apresentava valores extremamente baixos de qualidade, foi proposto, também por Brown et al. (1972) a forma multiplicativa para o cálculo do IQA-NSF, conforme verificada na equação 2.
∏
(2)
Onde:
– índice de qualidade da água (é um número entre 0 e 100);
– peso relativo do i-ésimo parâmetro, um número entre 0 e 1, atribuído em função da sua importância para a conformação global de qualidade, conforme apresentado na tabela 2;
– qualidade do i-ésimo parâmetro, um número entre 0 e 100, obtido da
respectiva “curva média de variação de qualidade”, em função de sua
concentração medida, conforme Figura 1;
Na forma multiplicativa, se qualquer um dos subíndices se aproximar de zero, o índice global também se aproximará de zero. Essa é a forma do índice mais utilizada.
Os parâmetros utilizados para determinação do IQA-NSF (produtório) e seus respectivos pesos estão descritos na Tabela 2.
Figura 4 - Curvas médias de variação de qualidade dos subíndices.
Tabela 2 – Parâmetros de Qualidade da Água do IQA e respectivos pesos para o produtório.
Parâmetros Pesos (W)
Oxigênio dissolvido 0,17
Coliformes termotolerantes 0,15
Potencial hidrogeniônico - pH 0,12
Demanda Bioquímica de Oxigênio - DBO5,20 0,10
Temperatura da água 0,10
Nitratos (Nitrogênio total) 0,10
Fosfatos (Fósforo Total) 0,10
Turbidez 0,08
Resíduo total 0,08
Fonte: Agencia Nacional de Águas (2014a).
A curva média, desenvolvida pela NSF, de variação da qualidade de cada parâmetro utilizado para determinação da qualidade das águas está indicada na Figura 4.
3.1.2 Determinação do índice de qualidade de água – CETESB
Em 1975, a Companhia Ambiental do Estado de São Paulo (CETESB) passou a utilizar o IQA-NSF na forma multiplicativa mediante a modificação do parâmetro nitrogênio nitrato para nitrogênio total, uma vez que, no Estado de São Paulo, os rios se mostram comprometidos por esgotos domésticos, que são ricos em outras formas de nitrogênio, tais como orgânico e o amoniacal. Dessa forma, utiliza-se a curva do nitrogênio considerando-utiliza-se o nitrogênio total e o fosfato como fósforo total (MMA, 2003).
A forma utilizada pela CETESB para se calcular o IQA é o produtório, idêntico à equação 2.
Os parâmetros utilizados para determinação do IQA e seus respectivos pesos estão descritos na Tabela 2.
curva média de cada parâmetro utilizada pela CETESB é a mesma utilizada pela NSF e está indicada na Figura 3.
Os valores do IQA são classificados em faixas, que variam entre os estados brasileiros conforme Tabela 3.
Tabela 3 – Classificação das faixas do IQA Faixas de IQA utilizadas nos
seguintes Estados: AL, MG, MT, PR, RJ, RN, RS
Faixas de IQA utilizadas nos seguinte Estados: BA, CE,
ES, GO, MS, PB, PE, SP
Avaliação da Qualidade da Água
90-100 80-100 Ótima
70-90 52-80 Boa
50-70 37-52 Razoável
25-50 20-36 Ruim
0-25 0-20 Péssima
Fonte: Agência Nacional de Águas (2014a).
Caso não haja o valor dos 9 (nove) parâmetros, o cálculo do IQA é inviabilizado (CETESB, 2014b). Porém, quando ocorre a ausência da medição de um dos parâmetros, para viabilizar o calculo do IQA, as companhias de gestão fazem uma redistribuição dos pesos entre os parâmetros medidos e determinam o IQA, conhecido como IQA modificado.
No IQA, a temperatura entra no cálculo como desvio da temperatura normal, ocasionada por um despejo térmico ou frio, e não havendo algum desvio, o subíndice da temperatura entra com valor máximo igual a 93 (Derísio, 1992).
A CETESB transformou as curvas de qualidade dos parâmetros da Figura 4 em equações, as quais estão representadas abaixo, facilitando o cálculo do IQA (MMA, 2003).
Equação para determinação da curva de qualidade do Oxigênio Dissolvido Para percentual de saturação 50%:
Para 50% < percentual de saturação 85%:
(4)
Para 85% < percentual de saturação 100%:
(5)
Para 100% < percentual de saturação 140%:
(6)
Para percentual de saturação > 140%:
(7)
Concentração de saturação do OD ( ) em mg/L:
(8)
Percentagem de saturação ( ):
(9)
Equação para determinação da curva de qualidade dos Coliformes Termotolerantes.
Quando o logaritmo da quantidade de coliformes ( ) medida em NMP/100ml for maior que 0 e menor ou igual a 1 (0 < 1):
(10)
Quando o logaritmo da quantidade de coliformes ( ) medida em NMP/100ml for maior que 1 e menor ou igual a 5 (1 < 5):
(11)
Quando o logaritmo da quantidade de coliformes ( ) medida em NMP/100ml for maior que 5 ( >5):
(12)
Onde é o valor da qualidade/subíndice para referido parâmetro.
Equação para determinação da curva de qualidade do pH. Quando o valor do pH for menor ou igual a 2 (pH 2):
(13)
Quando 2 < pH 4:
(14)
Quando 4 < pH 6,2:
(15)
(16)
Quando 7 < pH 8:
(17)
Quando 8 < pH 8,5:
(18)
Quando 8,5 < pH 9:
(19)
Quando 9< pH 10:
(20)
Quando 10 < pH 12:
(21)
Quando 12 < pH 14:
(22)
Onde é o valor do medido na amostra e é o valor da qualidade/subíndice para o referido parâmetro.
Equação para determinação da curva de qualidade da DBO. Quando o valor da DBO estiver entre 0 e 5 (0 < DBO 5):
Quando 5 < DBO 15:
(24)
Quando 15 < DBO 30:
(25)
Quando DBO >30:
(26)
Onde é o valor da concentração (mg/L) de DBO na amostra e é o valor da qualidade/subíndice para o referido parâmetro.
Equação para determinação da curva de qualidade do Nitrogênio Total.
Observando-se que a CETESB considera Nitrogênio Total ao invés de Nitratos.
Quando o valor da concentração, em mg/L, do Nitrogênio Total (N) estiver entre 0 e 10 (0 < N 10):
(27)
Quando 10 < N 60:
(28)
Quando 60 < N 100:
(29)
(30) Onde N é a concentração de nitrogênio total em mg/L e é o valor da qualidade/subíndice para o referido parâmetro.
Equação para determinação da curva de qualidade do Fosfato (PO4).
Observando-se que a CETESB faz levantamento do Fósforo Total, que para ser transformado em Fosfatos e ser utilizado na equação e no gráfico da Figura 4, faz-se necessário multiplica-lo por 3,066, transformando-o, assim, em fosfato.
Quando o valor da concentração, em mg/L, do Fosfato (PO4) estiver entre 0 e 1 (0 < PO41):
(31)
Quando 1 < PO4 5:
(32)
Quando 5 < PO4 10:
(33)
Quando PO4 > 10:
(34)
Onde é a concentração de fosfato em mg/L e é o valor da qualidade/subíndice para o referido parâmetro.
Quando o valor da concentração, em mg/L, dos Sólidos totais (ST) estiver entre 0 e 150 (0 < ST 150):
(35)
Quando 150 < ST 500):
(36)
Quando ST > 500:
(37)
Onde ST é a concentração de sólidos totais em mg/L e é o valor da qualidade/subíndice para o referido parâmetro.
Equação para determinação da curva de qualidade da Turbidez.
Quando o valor da Turbidez (TU), em UNT, estiver entre 0 e 25 (0< TU 25):
(38)
Quando 25< TU 100:
(39)
Quando TU > 100:
(40)
Equação para determinação da curva de qualidade da Temperatura
Para o parâmetro Temperatura, a CETESB assume um valor constante para o subindice igual a 94, pois, nas condições brasileiras, a temperatura dos
corpos d‟água não se afasta significativamente da temperatura de equilíbrio.
3.1.3 Determinação do índice de qualidade de água – SCQA
Para aprimorar o banco de dados já existente e facilitar o cálculo do IQA, o Instituto Mineiro de Gestão das Águas (IGAM) desenvolveu um sistema chamado de Sistema de Cálculo de Qualidade da Água (SCQA). Nele, o IQA é determinado também através da equação 2, utilizando os parâmetros e seus respectivos pesos apresentados na Tabela 2, porém os valores da qualidade de cada parâmetro (ou subindice) é determinado através das equações descritas a seguir.
Equação para determinação da curva de qualidade do Oxigênio Dissolvido
O primeiro passo para a determinação do índice para Oxigênio Dissolvido é a determinação da Concentração de saturação de oxigênio:
(41)
Onde é concentração de saturação de oxigênio em mg/L, é a temperatura em ºC, é a Concentração de Cloreto em mg/L e H é a Altitude em metros.
Depois se calcula a porcentagem de oxigênio dissolvido, dada pela equação 42.
(42)
Para OD% saturação ≤ 100
[ ]
(43)
(44)
[ ] (45)
[ ] (46)
[ ]
(47)
[ ]
(48)
Para 100 < OD% saturação ≤ 140
(49)
Para OD% saturação > 140
(50)
Onde é a qualidade/subindice para o parâmetro Oxigênio Dissolvido.
Equação para determinação da curva de qualidade dos Coliformes Termotolerantes.
Para CT ≤ 105 NMP/100mL
( )
(51)
(52)
Onde é a concentração de coliformes termotolerantes e é a qualidade/subindice para o referido parâmetro.
Equação para determinação da curva de qualidade do pH.
Para pH ≤ 2,0
(53)
Para 2,0 < pH ≤ 6,9
(54)
Para 6,9 < pH ≤ 7,1
(55)
Para 7,1 < pH ≤ 12
(56)
Para pH > 12,0
(57)
Onde é o valor do pH da amostra e é a qualidade/subindice para o referido parâmetro.
